CN103926879A

CN103926879A - 航空发动机机匣特征识别方法

Info

Publication number: CN103926879A
Application number: CN201410188103.5A
Authority: CN
Inventors: 李迎光; 刘旭; 郝小忠; 马斯博
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2034-05-06
Also published as: CN103926879B

Abstract

一种航空发动机机匣特征识别方法，其特征是首先分析航空发动机机匣结构特点，定义满足机匣铣削加工要求的环形槽特征和凸台特征类型；其次，对机匣零件进行预设置并提取零件所有面、边信息；第三，基于种子面、分型面及拓展规则进行面搜索，构建机匣环形槽特征和凸台特征；最后，提取机匣环形槽特征的所有信息，得到特征识别结果，存入XML文件。本发明具有识别效率高，正确率高的优点。

Description

航空发动机机匣特征识别方法

技术领域

本发明涉及一种CAD/CAM技术，尤其是一种航空发动机关键之一机匣的CAD、CAPP、CAM融合技术，具体地说是一种航空发动机机匣特征识别方法。

背景技术

CAD、CAPP、CAM系统分别在现代产品设计、工艺设计和数控编程方面发挥了很大的作用。但这些系统各自独立，不能实现信息的自动转换和共享，导致在应用过程中自动化程度和效率低。以提高产品设计、工艺设计和数控编程自动化程度和效率为目的的CAD/CAPP/CAM集成成为了工业界的迫切需求，而特征识别技术可以实现各系统间数据传递，是实现CAD/CAPP/CAM集成的有效途径。

航空发动机是飞机的动力之源，主要包含机匣、叶盘等结构类型，其中机匣多采用钛合金、高温合金等耐高温、难切削材料；结构上是以回转轮毂面为主体的圆环结构，周向分部柱状岛屿凸台，零件最薄处仅为2-3mm厚，属多岛屿复杂薄壁结构件。

目前在机匣数控加工中，由于其结构复杂、精度要求高，对于编程工艺人员的经验依赖性很大。传统的机匣数控程序编制包含大量人工几何点选，重复工作量大，且编程质量依赖工艺人员经验，总体效率不高。而特征可以作为加工工艺知识和经验的载体，有效继承加工工艺知识和经验，基于特征可以实现快速高效的数控程序编制，而特征识别是基于特征的快速程编技术的基础。所以特征识别技术成为提高机匣数控编程效率和质量的重要手段。但在现有的特征识别技术中，还没有覆盖机匣零件特征类型，所以对机匣的特征识别还没有高效的识别方法。

本发明公开了一种航空发动机机匣特征识别方法。该方法首先根据航空发动机机匣的结构特点，将发动机机匣加工特征定义为一系列环形槽特征和凸台特征的组合。其次进行环形槽特征和凸台特征的高效特征识别：首先建立零件加工坐标系，设定分型面，再将所有几何拓扑元素进行唯一标识，构建全息属性面边图，并定义完整的面节点和边节点属性，最后基于全息属性面边图搜索各类特征的种子面，依据拓展规则识别出零件中包含的环形槽特征和凸台特征。该特征识别方法涵盖的特征类型满足机匣铣削加工需求，且识别效率高，正确率高。

发明内容

本发明的目的是针对目前CAM系统缺少针对航空发动机机匣的特征识别功能，以及现有识别方法的不足，发明一种航空发动机机匣特征识别方法。

本发明技术方案是：

一种航空发动机机匣特征识别方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤1：分析航空发动机机匣结构特点，定义满足机匣铣削加工要求的环形槽特征和凸台特征类型；

步骤2：对机匣零件进行预设置并提取零件所有面、边信息；

步骤3：基于种子面、分型面及拓展规则进行面搜索，构建机匣环形槽特征和凸台特征；

步骤4：提取机匣环形槽特征的所有信息，得到特征识别结果，存入XML文件。

所述的分析航空发动机机匣结构特点，定义满足机匣铣削加工要求的环形槽特征和凸台特征类型是指：

通过分析机匣结构特点和加工特性，将机匣加工特征定义为环形槽特征和凸台特征的组合，其中环形槽特征包含顶面、侧面、底角面和底面，且底面上长有周向分布的凸台特征，其中每个凸台特征又包含顶面、侧面、底角面和底面。

所述的对机匣零件进行预设置并提取零件所有面、边信息是指：

预设置包含设定加工坐标系和选定分型面，规定将Z轴选为机匣回转轴线方向，X、Y轴不作限定；分型面选择与Z轴垂直且法向平行Z轴的最低平面；其中零件的面、边信息包含面、边的几何信息及面、边与其相邻几何元素的连接关系。

所述的种子面为基于拓展规则进行特征构建的初始值，环形槽特征的种子面为机匣零件上的锥面、柱面及环形曲面；凸台特征的种子面为环形槽特征的底面列。

所述的构建机匣环形槽特征时，首先根据机匣种子面依据底面拓展规则得到正确的环形槽底面；再根据底面依据底角面拓展规则得到正确的底角面；再根据底角面依据侧面拓展规则获得正确的侧面；最后根据侧面依据顶面拓展规则得到正确的顶面。

所述的构建机匣凸台特征时，首先根据凸台种子面（即长有凸台的环形槽底面）依据凸台底角面拓展规则得到正确的凸台底角面；再根据底角面依据侧面拓展规则获得正确的凸台侧面；最后根据侧面依据顶面拓展规则得到正确的凸台顶面。

机匣环形槽特征的所有信息按顶面、侧面、底角面、底面、凸台的顺序存入XML文件，其中每个凸台特征包含凸台顶面、侧面、底角面和底面。

本发明的有益效果是：

本发明涵盖了机匣铣削加工需求的特征类型，且具有识别效率高，正确率高的优点。

附图说明

图1为本发明的航空发动机机匣特征识别方法流程图。

图2为航空发动机机匣示意图，其中图2a为机匣整体外形，图2b为机匣沿回转轴向剖面图，图2b中CG区域为机匣环形槽，CGB为机匣凸台。

图3为航空发动机机匣特征定义示意图。图3中A为机匣环形槽底面，B为机匣环形槽底角面，C为机匣环形槽侧面，D为机匣环形槽顶面，CGB为机匣环形槽凸台。取其中一个凸台放大，如图中所示，I为凸台顶面，H为凸台侧面，G为凸台底角面，F为此凸台的底面。

图4为机匣特征识别预处理示意图。图中Z为加工坐标系Z轴，J为分型面；

图5为机匣拓扑元素的唯一标识示意图。图5a为机匣零件，图5b为将机匣零件所以拓扑元素进行唯一标识的结果，利用tag值对各元素类型进行标识。

图6为机匣某凸台的局部全息属性面边图。图中f₁为凸台顶面,且以边e₁、e₂与面f₂、f₃相连，f₂、f₃之间以边e₃、e₄相连，f₂、f₃又分别以边e₅、e₆与面f₄、f₅相连，f₄、f₅之间以边e₉、e₁₀相连，f₄、f₅又分别以边e₇、e₈与面f₆相连。

图7为全息属性面边图边角度、面角度计算方法示意图，图中a为边角度计算方法，b为面角度计算方法，其中f₁，f₂为两个相邻的面，e为相交边，p_mid为相交边的中点，a中n ₁、n ₂为相邻面f₁，f₂在p_mid的法向量，选取f₁，f₂中任一面为基准面，这里选取f₁为基准面，根据右手螺旋法则确定边e的方向n _e，n ₁到n ₂的角度记为，若，则边角度为，若，则边角度为；b中n ₁、n ₂为相邻面f₁，f₂的主法向，同样选取f₁为基准面，根据右手螺旋法则确定边的方向n _e，n ₁到n ₂的角度记为，若，则面角度为，若，则面角度为。

图8为机匣特征识别种子面示意图，图中Z₁为机匣环形槽构建的种子面，Z₂为机匣凸台构建的种子面。

图9为环形槽种子面扩展流程图。

图10为机匣环形槽种子面列搜寻示意图。图中A为已识别完成的环形槽底面，E_out为当前环形槽底面广义外环边，箭头为搜索方向，a为满足条件的圆锥面，b为满足条件的圆柱面，c为满足条件的自由曲面。

图11为机匣环形槽完整构建示意图。图中E_out为机匣环形槽底面外环，B为机匣环形槽底角面，C为机匣环形槽侧面，D为机匣环形槽顶面。

图12为环形槽凸台特征构建示意图。图中E_in为机匣环形槽底面的广义内环边；G为凸台底角面；H为凸台侧面；I为凸台顶面。

图13为机匣特征识别结果显示及存储示意图，图中将特征识别结果存入XML格式的文件中。

具体实施方式

下面是结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1-13所示。

一种航空发动机机匣特征识别方法，它首先根据航空发动机机匣的结构特点，将发动机机匣加工特征定义为一系列环形槽特征和凸台特征的组合。其次进行环形槽特征和凸台特征的高效特征识别：首先建立零件加工坐标系，设定分型面，再将所有几何拓扑元素进行唯一标识，构建全息属性面边图，并定义完整的面节点和边节点属性，最后基于全息属性面边图搜索各类特征的种子面，依据拓展规则识别出零件中包含的环形槽特征和凸台特征。其流程如图1所示，具体步骤如下：

1、分析航空发动机机匣零件结构特性，定义机匣环形槽和凸台特征。

航空发动机机匣结构上以回转轮毂面为主体，周向分部柱状岛屿凸台，属圆环类薄壁零件，如图2所示，其外形特征类似于周向带凹槽的圆环，并在周向凹槽上长有凸起结构，故将机匣加工特征总结为：机匣环形槽(Circle Groove缩写CG)，如图2b中CG区域，和环形槽凸台(Circle Groove Boss缩写CGB)，如图2b中CGB所示。

1)机匣环形槽CG：指机匣周向的凹槽，整体机匣多为360度环形凹槽，如图3所示,其中每个机匣环形槽由槽底面(A)、底角面(B)、侧面(C)、转角面(可缺省，一般只在分瓣机匣中存在)、顶面(D)及底面上长有的凸台(CGB)构成。

2)环形槽凸台CGB(简称凸台)：指生长在环形槽底面上的岛屿，多为孤岛，如图3所示，也有孤岛相连或孤岛与环形槽侧面相交的情况，其中每个凸台又由底面(F)、底角面(G)、侧面(H)、顶面(I)构成。

2、对机匣零件进行预处理并构建全息属性面边图。

1)对零件模型进行预处理，包含建立加工坐标系和设定分型面。

(1)加工坐标系建立：一般将机匣回转轴线方向选为加工坐标系Z轴方向，如图4所示。

(2)分型面一般选为平面，在机匣的特征识别中将分型面选为与加工坐标系Z轴方向垂直的平面(若加工坐标系Z轴选为机匣的回转轴线方向，则分型面选择面法向沿Z轴方向的最低平面)，如图4中J所示，并记录分型面面积A_分型面。

2) 获得CAD模型的所有点、线、面拓扑元素，按照拓扑类型+标识码的方式重新命名拓扑元素，如图5所示，赋予每个拓扑元素特定的标识码，使拓扑元素具有唯一性，便于后续的特征识别和特征识别结果保存。

3)构建机匣模型的全息属性面边图。

全息属性面边图在属性面边图的基础上加入了更多供特征识别使用的边的信息和面的信息，其内容包括：

边的信息：边的唯一标识、实边或虚边标识、曲线或直线标识、边属于内环或外环标识、相邻面角度、边角度、边长度，如表1所示；

面的信息：面的唯一标识、实面或虚面标识、曲面或平面标识、面的主法向、相交面的数量、面的面积、面的内外环个数，如表2所示。

利用全息属性面边图表示特征识别所需要的所有几何元素的拓扑信息及各个元素间的连接关系，如图6所示为某凸台局部全息属性面边图。通过引入边角度，面角度可以更加精确地表达面与面之间的连接关系，其中边角度可以表示两邻接面的过渡关系，面角度可以表示两邻接面的位置关系，其计算方法如图7所示。

3、基于种子面、分型面及拓展规则进行搜索，构建机匣环形槽和凸台加工特征。

1)加工特征种子面定义，主要分为环形槽种子面和凸台种子面，定义如下：

(1)将模型中的圆锥面定义为环形槽的种子面，如图8中Z₁所示；

(2)将构建完毕的的环形槽底面定义为此环形槽凸台的种子面，如图8中Z₂所示。

2) 基于分型面和种子面，遍历机匣模型的全息属性面边图，进行种子面匹配，其流程如图9所示，得到机匣环形槽的所有底面，具体方法如下：

(1)遍历机匣模型所有面，提取出所有圆锥面，将与机匣中心空洞相关的圆锥面剔除，剩下的圆锥面存入面列Z₁，如图8中Z₁所示。

(2)遍历Z₁的每一个锥面，遍历其所有外环边，判断是否有与此锥面相邻且呈凸连接关系的面，若否则将此锥面存入F_环锥。

(3)搜寻每个环形槽的完整底面列，为后续构建凸台加工特征做准备，如图10所示，具体如下：

①任取F_环锥中一圆锥面，存入A，并将此圆锥面从F_环锥中移除；

②提取A的广义外环边列；遍历A的所有面，将每个面的外环边存入E_out，保留E_out中只出现一次的边，其余删除，将E_out中剩余边首尾相连，形成多个环，将最大的环视为A的广义外环，E_out为A的广义外环边列。

③遍历E_out中所有边，找到每个以此边与A面列相邻的面，判断是否为圆锥面或圆柱面或面积大于A_分型面的自由曲面，若是则存入A。所有边判断后，如果有新面存入A的面则重复步骤②③，直至没有新面存入A，此时A包含了此环形槽的所有底面。

④判断F_环锥中元素是否为空，若是则结束；若否则顺序进行步骤①②③，直至F_环锥为空。

3)根据环形槽底面进行面扩展，构建完整环形槽特征，如图11所示，具体如下：

(1)提取每个环形槽底面列A的广义外环边，存入边列E_out，保留下E_out中只出现一次的边，其余删除，将E_out中剩余边首尾相连，形成多个环，将最大的两个外环作为此环形槽底面列的广义外环，即E_out为此环形槽底面广义外环边列。遍历E_out中所有边，提取每个边所在的不为底面的面，为底角面，存入B。

(2)遍历B中的所有面，找到与其相邻且不是底角面或底面的面，为侧面，存入C。

(3)遍历C中的所有面，找到与其呈凸连接关系且不是侧面的面，为顶面，存入D。

4)根据每个环形槽的加工特征，构造其包含的凸台特征，如图12所示，具体如下：

(1)取环形槽的所有底面(A)，作为凸台种子面，如图8中Z₂所示，提取其广义内环：遍历Z₂中所有面，将每个面的内环存入E_in；将Z₂面列的所有外环提取出来，剔除广义外环(其中广义外环的提取与上述步骤3第2)小节(3)中E_out提取方法一致)，将剩余的外环存入E_in，即E_in存放着此环形槽凸台特征种子面列的广义内环。

(2)遍历E_in中的所有内环，其中每个内环对应一个凸台，每个内环所在的底面为此凸台的底面存于F，提取每个内环所在的面，除去其中的底面剩下的为此凸台的底角面存于G。

(3)遍历此凸台的所有底角面，找到与其相邻且不是底角面或底面的面，为凸台侧面，存于H。

(4)遍历此凸台的所有侧面，找到与其呈凸连接关系且不是侧面的平面，为凸台的顶面，存于I。

4.提取环形槽及凸台特征信息，得到特征识别结果，存入XML文件，如图13所示，可知本机匣零件含有环形槽1个，其中顶面4个、侧面2个、底角面4个、底面10个，且环形槽底面上共长有凸台22个，每个凸台都包含各自的顶面、侧面、底角面若干个(此处不进行一一列举)。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种航空发动机机匣特征识别方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤2：对机匣零件进行预设置并提取零件所有面、边信息；

2.如权利要求1所述方法，其特征是所述的分析航空发动机机匣结构特点，定义满足机匣铣削加工要求的环形槽特征和凸台特征类型是指：

3.如权利要求1所述方法，其特征是所述的对机匣零件进行预设置并提取零件所有面、边信息是指：

4.如权利要求1所述方法，其特征是所述的种子面为基于拓展规则进行特征构建的初始值，环形槽特征的种子面为机匣零件上的锥面、柱面及环形曲面；凸台特征的种子面为环形槽特征的底面列。

5.如权利要求1所述方法，其特征是所述的构建机匣环形槽特征时，首先根据机匣种子面依据底面拓展规则得到正确的环形槽底面；再根据底面依据底角面拓展规则得到正确的底角面；再根据底角面依据侧面拓展规则获得正确的侧面；最后根据侧面依据顶面拓展规则得到正确的顶面。

6.如权利要求1所述方法，其特征是所述的构建机匣凸台特征时，首先根据凸台种子面（即长有凸台的环形槽底面）依据凸台底角面拓展规则得到正确的凸台底角面；再根据底角面依据侧面拓展规则获得正确的凸台侧面；最后根据侧面依据顶面拓展规则得到正确的凸台顶面。

7.如权利要求1所述方法，其特征是机匣环形槽特征的所有信息按顶面、侧面、底角面、底面、凸台的顺序存入XML文件，其中每个凸台特征包含凸台顶面、侧面、底角面和底面。